热管式真空管型太阳能取暖器供热性能实验研究_中国暖通空调网 - 技术交流
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供暖·论文

热管式真空管型太阳能取暖器供热性能实验研究
2017-03-16 | 中国暖通空调网 |【
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于国清,金怡红,陈 东,闫 涛,杨 青
上海理工大学

[摘 要]研究了一种新型的太阳能取暖器,该太阳能取暖器利用热管将室外太阳能真空管收集的热量传递到室内散热装置,系统简单,没有冻结危险;不需泵或者风机等动力装置,自动运行;易于实现与建筑的一体化。进行了实验研究:1 根据散热装置的散热量与内外温差成特定函数关系的特点,设计了该太阳能取暖装置的供热量测试的实验方案;2 通过实验测试得出,该单元取暖器(只有一根真空管)的供热量与内外温差的函数关系为y=0.084Δt1.723 在冬季某日进行测试,测试当日,该装置一天内所提供的热量为921.6kJ,装置的日总集热效率为59.8%

[关键词]太阳能;热管;取暖装置;供热量

随着我国经济的快速发展,能源紧缺问题日益严峻,如何降低建筑能耗,减少对化石燃料的依赖成为当前备受关注的话题。太阳能是一种清洁的可再生能源,越来越多地被人们接受。

对于太阳能供暖目前研究和应用较多的是太阳能热水供暖系统,太阳能热水供暖系统一般包括太阳能集热器、辅助热源、蓄热水箱、室内散热装置、泵以及管路和控制系统,且需要考虑防过热、防冻等问题,整个系统较为复杂,成本较高,限制了其推广应用。太阳能真空管具有集热温度高、效率高等优点,在我国获得广泛应用。热管是二十世纪七十年代发展起来的高效传热元件,在很多领域获得成功应用。为了更好地实现太阳能利用与建筑的一体化,提高效率,简化供暖系统,该文提出了一种热管式真空管型太阳能取暖器,并进行了实验研究。

1 结构和工作原理

1.1 装置组成

热管式太阳能取暖器装置,由太阳能集热器、热管、散热器等组成。热管式太阳能取暖器装置(一个单元,即只有一根真空管)如图1 所示。可以根据建筑的热负荷和可用集热面积,确定单元的数目。

单元式热管式太阳能取暖器装置示意
1 单元式热管式太阳能取暖器装置示意

太阳能集热采用真空集热管,热管蒸发段置于全玻璃真空管内,设有金属片使热管与全玻璃真空管充分接触导热;热管的冷凝段置于散热器片内,将裸露在空气中的热管中间段做好保温。太阳能集热管有一定的倾角,热管也有相应的折弯角度。散热器安装在南墙窗户下面;集热器可以带有反射板,安装在下一楼层窗户上方兼做雨篷。

1.2 太阳能取暖器的工作原理

太阳能集热管采用全玻璃真空管,全玻璃真空管内腔外壁涂有选择性吸收涂层,太阳光透过真空管外玻璃照射到内管外表面涂层上,将太阳能转换为热能,再经船型铝箔片将热量传递到热管蒸发段。热管蒸发段被加热,管内工质受热至沸腾蒸发,蒸汽升至热管上端冷凝段,热管冷凝段置于散热器片内,管内蒸汽通过管壳将热量传递给散热器片,散热器片与室内环境进行换热,随之,管内蒸汽凝结成液态,在重力的作用下流至热管蒸发段,往复循环。

在夜间或者阴雨天太阳辐照度不足时,热管不启动,没有热量传递到室内;由于热管热量传递的单向性,室内的热量也很少通过热管散失到室外。

这种装置构造简单,组装方便,几乎不需要维护,很好的实现了太阳能利用与建筑的一体化,没有冻结的危险,兼有太阳能被动式利用和主动式利用的优点。

2 供热量的测量

2.1 供热量的测量方法

供热量是太阳能供暖装置的重要热性能参数,也是实验研究要测试的关键数据,但这种太阳能取暖器的供热量测试比普通的散热器供热量的测试困难:通过热管传输到散热器的热量难以直接测量;太阳能提供的热量受太阳辐照度、室外气温、集热管结构和热性能参数等多种因素的影响,也难以直接准确测量。在这种情况下,理论上讲可以通过搭建平衡室的方式来测量散热器的散热量。热平衡室一般包括内室和外室,测试时使外平衡室温度保持不变,达到热平衡时输入的冷量即等于内平衡室由装置提供的供热量。但这样做的问题是,当平衡室体积过大时,则不可控、不可预测的热损失越多,要达到足够的精度,成本太高;当平衡室体积过小,则与装置实际工作时的条件不相符,这会使得装置的散热性能发生变化。

为了解决这个难题,作者根据供暖末端装置散热量与内外温差的特定函数关系实现供热量的测试。由于对于特定的散热器,其供热量是内管壁温与室内空气温度差的单值函数,

Q=aT)b      1

式中:Q 为单位时间供热量(W);ΔT 为内管壁温与室内空气温度差(K);a 为供热量系数;b 为温差指数。

因此知道了内管温度,就可以获得装置的供热量。通过测试多个不同温差下的供热量,就可以拟合得到ab,之后只要测得内外温度差就可以计算得到换热量。为了制造一个相对稳定且与实际测量环境近似的测试工况,该课题利用电加热来模拟太阳辐照量对热管的蒸发段进行热量供给,在真空集热管的外面敷设很厚的保温,这样电加热量就近似等于装置的供热量,因此通过测试热管在不同温度下的电加热量就得到了装置在该温度下的供热量,实验原理图见图2

 供热量测试实验原理示意
2 供热量测试实验原理示意

2.2 主要部件的规格和参数

该实验台在上海理工大学环境楼屋顶进行搭建。该实验所采用的全玻璃真空集热管的参数规格见表1

1 真空集热管的规格尺寸及材料参数
真空集热管的规格尺寸及材料参数

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